小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用分析及評(píng)價(jià)

章偉，鄧院昌，曾雪蘭

（中山大學(xué)工學(xué)院,廣東廣州510006）

近年來(lái)，我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)迅猛發(fā)展態(tài)勢(shì)，2010年我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已躍居世界首位[1]。小型風(fēng)電是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的一項(xiàng)補(bǔ)充，大型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不能完成或不能解決的問(wèn)題要由小型風(fēng)電產(chǎn)業(yè)來(lái)完成。中國(guó)疆域廣闊，風(fēng)資源分布不均勻?qū)е嘛L(fēng)電開發(fā)呈現(xiàn)出多樣性的特點(diǎn)：年平均風(fēng)速6 m/s或以上的高風(fēng)速區(qū)（如三北地區(qū)、沿海地區(qū)）多建立大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但這些地區(qū)的風(fēng)資源已趨飽和，海上風(fēng)電短期內(nèi)又難以大規(guī)模開發(fā)；年平均風(fēng)速為3～5 m/s的低風(fēng)速區(qū)，如安徽、湖北、福建和云南等省份，雖不具備發(fā)展大型風(fēng)電的條件，卻是發(fā)展小型風(fēng)電的沃土，因此推廣應(yīng)用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有較大的市場(chǎng)空間。

國(guó)內(nèi)外對(duì)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究較多，文獻(xiàn)[2-4]關(guān)注小型風(fēng)力機(jī)在行業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用，文獻(xiàn)[5-6]研究了小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)及控制策略，文獻(xiàn)[7-9]則針對(duì)經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)對(duì)小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

本文首先概述了小型風(fēng)力機(jī)的定義及應(yīng)用現(xiàn)狀，在其技術(shù)特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，利用具體示例對(duì)大小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)資源標(biāo)幺值、滿發(fā)小時(shí)數(shù)進(jìn)行比較分析，并采用平均發(fā)電成本這一指標(biāo)考查了小型風(fēng)力機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)小型風(fēng)力機(jī)的發(fā)展優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了宏觀和具體量化的分析與評(píng)價(jià)。

1 小型風(fēng)力機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，美國(guó)依然是引領(lǐng)全球小型風(fēng)能產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)的大國(guó)，由于扶持政策到位，其小型風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)份額占據(jù)了全球的49%，并且主要是分布式并網(wǎng)的應(yīng)用；英國(guó)小型風(fēng)電發(fā)展迅猛，它采取了許多政策來(lái)鼓勵(lì)小型風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)，通過(guò)一系列法規(guī)的重新修訂來(lái)促進(jìn)在特定的地點(diǎn)安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；德國(guó)頒布了《可再生能源法》，政府不僅提供補(bǔ)貼，并根據(jù)具體的風(fēng)資源情況制定保護(hù)價(jià)及收購(gòu)時(shí)間，通過(guò)政策擴(kuò)大小型風(fēng)力機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域；俄羅斯成功研制出移動(dòng)式小型風(fēng)電機(jī)，可機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、操作簡(jiǎn)便，能滿足野外考察隊(duì)簡(jiǎn)便、持續(xù)地獲得電能的需求；荷蘭地區(qū)也已有許多居民安裝家用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)[10]。

2011年7月國(guó)家能源局出臺(tái)了關(guān)于分散式接入風(fēng)電開發(fā)的重要通知[11]：要求各相關(guān)部門根據(jù)我國(guó)風(fēng)能資源和電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)，在規(guī)?；_發(fā)大型風(fēng)電場(chǎng)的同時(shí)，因地制宜、積極穩(wěn)妥地探索分散式接入風(fēng)電的開發(fā)模式，以分散方式多點(diǎn)接入低電壓配電系統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組，暫不用為接入風(fēng)電而新建變電站、所，不考慮升壓輸送風(fēng)電，單機(jī)容量可視具體情況靈活使用。且加強(qiáng)低風(fēng)速風(fēng)電開發(fā)已被納入“十二五”風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，這就為大力發(fā)展低電壓配電系統(tǒng)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供了良好契機(jī)。

據(jù)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國(guó)小型風(fēng)力機(jī)的保有量超過(guò)14萬(wàn)臺(tái)，成為世界上保有量最多的國(guó)家。圖1為我國(guó)小型風(fēng)力機(jī)產(chǎn)量。

2004年之前小型風(fēng)電機(jī)組以解決農(nóng)村供電為主，主要服務(wù)對(duì)象為有風(fēng)無(wú)電或缺電地區(qū)的廣大農(nóng)、牧、漁民地區(qū)，產(chǎn)量的增長(zhǎng)十分緩慢。自2004年以來(lái)，小型風(fēng)力機(jī)產(chǎn)量開始以突飛猛進(jìn)的速度增長(zhǎng)，其應(yīng)用出現(xiàn)了轉(zhuǎn)向，在內(nèi)陸湖泊、近海養(yǎng)殖、高速公路檢測(cè)、海上交通管理、氣象臺(tái)站、電視臺(tái)轉(zhuǎn)播、微波通訊基地、城市路燈系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，并且逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域。目前已有機(jī)組用于給油田的抽油機(jī)供電，以綠色電力代替了常規(guī)電力。

2 小型風(fēng)力機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)體積小，重量輕，安裝維護(hù)方便，工作壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉，在城市建設(shè)中有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。得益于小型風(fēng)力機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)輪的最大功率系數(shù)已由初期的0.30左右提高到0.42左右，發(fā)電機(jī)效率從普通電機(jī)的0.50提高到現(xiàn)在的0.75以上，有些還可以達(dá)到0.82[12]。具體方面表現(xiàn)在：

1）風(fēng)速區(qū)間。一些小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)風(fēng)速、額定風(fēng)速低，從而延長(zhǎng)了風(fēng)力機(jī)的有效工作時(shí)間，提高了風(fēng)能資源的應(yīng)用范圍。對(duì)于一些風(fēng)資源狀況不適合建立大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的地方，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仍然可以得到推廣應(yīng)用，且不需要做復(fù)雜的風(fēng)電場(chǎng)選址等前期工作。

2）土地利用。大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電對(duì)場(chǎng)址的地域性有嚴(yán)格的要求，需要集中占用大片土地，并且場(chǎng)址一般離用戶較遠(yuǎn)。而小型風(fēng)力分布式發(fā)電在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村莊，城鄉(xiāng)結(jié)合部等大型風(fēng)場(chǎng)無(wú)法利用的地方都能安裝，且單位占地面積少。無(wú)論是離網(wǎng)還是并網(wǎng)方式，一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就能工作，在房前屋后農(nóng)民自家地里就能安裝。用通俗的話說(shuō)，“農(nóng)民在地里不僅種莊稼，還可以種風(fēng)力發(fā)電機(jī)”，有效地節(jié)約了土地。

3）電力傳輸。大風(fēng)電場(chǎng)必須解決上網(wǎng)電力的傳輸問(wèn)題，而小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于就地就近在用戶側(cè)上低壓電網(wǎng)，不需要復(fù)雜的電網(wǎng)接入控制系統(tǒng)，不需要輸配電系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)接入幾乎沒(méi)有特殊的要求，而且大部分的電力就地消費(fèi)，不存在電網(wǎng)輸送和電力調(diào)度問(wèn)題。

4）分布并網(wǎng)。小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的分布式并網(wǎng)具有很多優(yōu)點(diǎn)?？删徒偷胤稚⒐╇姡M(jìn)入和退出電網(wǎng)靈活，不需要電網(wǎng)的遠(yuǎn)距離輸送，有利于改善電力系統(tǒng)的負(fù)荷平衡，并可降低線路損耗，起調(diào)峰作用。

小型風(fēng)力機(jī)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。離網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在無(wú)電網(wǎng)或并網(wǎng)難的地區(qū)可得到相應(yīng)的應(yīng)用，它功率較小，需要與蓄電池和其他控制裝置共同組成獨(dú)立運(yùn)行風(fēng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)。風(fēng)力機(jī)發(fā)出的電量用蓄電池儲(chǔ)存起來(lái)，可直接用于供給直流負(fù)載；對(duì)于需要交流電的負(fù)載，則只需在蓄電池與負(fù)載之間加裝逆變器[13]；并網(wǎng)系統(tǒng)也相對(duì)大型風(fēng)電場(chǎng)的簡(jiǎn)單，它由數(shù)臺(tái)中小型風(fēng)力機(jī)并聯(lián)，通過(guò)三相整流橋管并入直流母線，經(jīng)并網(wǎng)逆變器的三相交流輸出端接到電網(wǎng)。它能自動(dòng)控制電網(wǎng)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)間的能源合理匹配。圖2為小型風(fēng)力機(jī)的離網(wǎng)和并網(wǎng)系統(tǒng)圖。

圖1 我國(guó)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)量Fig.1 Production of small wind turbines in China

圖2 離網(wǎng)和并網(wǎng)系統(tǒng)圖Fig.2 Off-grid and on-grid system diagrams

3 風(fēng)資源利用

為評(píng)價(jià)小型風(fēng)力機(jī)風(fēng)資源利用能力，本節(jié)選用大小2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行對(duì)比。850 kW大型風(fēng)力機(jī)，其風(fēng)輪直徑為52 m，切入風(fēng)速4 m/s，額定風(fēng)速20 m/s，重量（不含塔架）為5700 kg；1.5 kW小型風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪直徑為3.2 m，切入風(fēng)速3 m/s，額定風(fēng)速10 m/s，重量（不含塔架）為350 kg。為了便于研究不同風(fēng)力機(jī)在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間的出力變化規(guī)律，現(xiàn)引入功率標(biāo)幺值的概念，即機(jī)組實(shí)際輸出功率與其額定功率的比值。圖3為2種風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率標(biāo)幺值變化。

圖3 2種風(fēng)力機(jī)功率標(biāo)幺值Fig.3 Power per-unit of two kinds of wind turbines

由圖3可知，在低風(fēng)速區(qū)間，小型風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)資源比較敏感，且切入風(fēng)速低，風(fēng)資源利用效率比大型風(fēng)力機(jī)高。這對(duì)于低風(fēng)速地區(qū)有很好的應(yīng)用潛力。

以汕尾市海豐縣2010年1月至2010年12月某測(cè)風(fēng)站點(diǎn)30 m和50 m高測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)為例，對(duì)大、小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的年發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算。由于大、小風(fēng)力機(jī)的塔架安裝高度不同，故在計(jì)算時(shí)根據(jù)不同類型風(fēng)力機(jī)選用不同高度的風(fēng)速。本文大型風(fēng)力機(jī)選50 m高風(fēng)速值，年平均風(fēng)速為4.2 m/s；小型風(fēng)力機(jī)選30 m高風(fēng)速值，年平均風(fēng)速為3.6 m/s。進(jìn)行年發(fā)電量計(jì)算時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)速不作分布擬合，根據(jù)國(guó)際IEA組織推薦的風(fēng)頻理論比恩計(jì)算法，在風(fēng)頻分布理論計(jì)算時(shí)，把風(fēng)速的間隔定為1 m/s，按風(fēng)速間隔的歸屬區(qū)來(lái)劃分區(qū)域，風(fēng)速在某一時(shí)間內(nèi)的平均值落在哪個(gè)區(qū)間，則該區(qū)間的小時(shí)數(shù)累加值加1。區(qū)間的風(fēng)速用中值表示來(lái)統(tǒng)計(jì)風(fēng)速小時(shí)數(shù)，再直接利用風(fēng)力機(jī)的測(cè)量功率值，將風(fēng)速區(qū)間的統(tǒng)計(jì)頻數(shù)與對(duì)應(yīng)的風(fēng)力機(jī)功率的乘積求和得出年發(fā)電量值。表1為相應(yīng)的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。計(jì)算公式為：式中，w表示年發(fā)電量；Ci表示風(fēng)速落在第i風(fēng)速區(qū)間的小時(shí)數(shù)；p（vi）表示風(fēng)力機(jī)對(duì)應(yīng)風(fēng)速區(qū)間的功率值；n表示風(fēng)速區(qū)間。

根據(jù)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)這2種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行滿發(fā)小時(shí)數(shù)分析。滿發(fā)小時(shí)數(shù)計(jì)算公式如下：

表1 發(fā)電量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Electricity statistics

式中，N表示滿發(fā)小時(shí)數(shù)；w表示年發(fā)電量；pe表示額定功率。

計(jì)算后得知1.5 kW風(fēng)力機(jī)的年滿發(fā)小時(shí)數(shù)為735.6 h；850 kW風(fēng)力機(jī)的年滿發(fā)小時(shí)數(shù)為428.5 h?？梢?jiàn)，在該地區(qū)小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)大型風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)資源的利用率更高。

因此，在風(fēng)速相對(duì)較低的地區(qū)，采用小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)比大型風(fēng)力機(jī)在風(fēng)資源利用、滿發(fā)小時(shí)數(shù)方面均有優(yōu)勢(shì)。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)美國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)的有關(guān)分析，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)每瓦投資為1.5～3.0美元，每度電成本為0.10～0.15美元；而光伏發(fā)電每瓦投資為5～7美元，每度電成本為0.4美元[10]。無(wú)論是初期投資還是每度電成本，小型風(fēng)力發(fā)電都比光伏發(fā)電要低。并且我國(guó)的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組價(jià)格和美國(guó)相比要低得多，隨著相關(guān)激勵(lì)政策的支持，規(guī)?；a(chǎn)小型風(fēng)力機(jī)，其生產(chǎn)質(zhì)量將上升，成本也將逐漸下降。

小型風(fēng)力機(jī)分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的利用仍處于起步階段，充分認(rèn)識(shí)其經(jīng)濟(jì)效益有助于引導(dǎo)電力用戶和公司以及政策制定部門更好地開發(fā)該技術(shù)。評(píng)價(jià)風(fēng)電項(xiàng)目的一項(xiàng)重要指標(biāo)是平均發(fā)電成本[14]。在實(shí)際風(fēng)電項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)時(shí)，可用平均發(fā)電成本的高低為判別原則來(lái)比較優(yōu)劣。平均發(fā)電量成本的高低受發(fā)電量、初始投資、折舊率、各年的投資及運(yùn)行維護(hù)成本、折現(xiàn)率等因素的影響。結(jié)合投資成本和運(yùn)行成本,可綜合反映風(fēng)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。由于小型風(fēng)力機(jī)分布式并網(wǎng)中風(fēng)力機(jī)量多，成本大，因此有必要考慮長(zhǎng)期投資經(jīng)濟(jì)性。

平均發(fā)電成本計(jì)算公式為：

式中，C0表示總投資成本；C1表示初始投資成本；C2表示運(yùn)行維護(hù)費(fèi)；CW表示經(jīng)濟(jì)壽命周期內(nèi)的發(fā)電成本；n表示經(jīng)濟(jì)壽命周期；p表示折現(xiàn)率（本文取10%）；Di表示第i年的成本；f表示折舊率。

根據(jù)上節(jié)中1.5 kW的小型和850 kW的大型風(fēng)電機(jī)組，對(duì)其進(jìn)行平均發(fā)電成本計(jì)算來(lái)分析比較其經(jīng)濟(jì)性。其中大、小型風(fēng)力機(jī)使用數(shù)據(jù)參考當(dāng)前實(shí)際市場(chǎng)價(jià)格。表2為相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。從中可知，小型分布式風(fēng)電項(xiàng)目投資回收期內(nèi)的平均發(fā)電成本低于大型風(fēng)電項(xiàng)目。

除此之外，大型風(fēng)力機(jī)單臺(tái)成本高，原材料、零部件的采購(gòu)金額大，并且部分緊缺的配套零部件供應(yīng)周期長(zhǎng)、付款方式也較為苛刻，一般需先支付70%～80%的預(yù)付款才能拿到配套零部件，風(fēng)電場(chǎng)造價(jià)高，機(jī)組運(yùn)輸費(fèi)用高，而本地用電需求量又少，限制了人類對(duì)風(fēng)能的利用；而小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單臺(tái)成本廉價(jià)，組裝簡(jiǎn)易、付款方便，運(yùn)輸費(fèi)用及維護(hù)費(fèi)用少，因此小型風(fēng)力應(yīng)用門檻很低。綜上所述，小型分布式風(fēng)電項(xiàng)目具備較高投資價(jià)值。

表2 2種風(fēng)力機(jī)經(jīng)濟(jì)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Economic calculation of two kinds of wind turbines

5 結(jié)語(yǔ)

小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)在風(fēng)速利用范圍、占地面積、電力傳輸、儲(chǔ)能等方面有很好的優(yōu)勢(shì)，在風(fēng)資源利用率、滿發(fā)小時(shí)數(shù)上優(yōu)于大型風(fēng)力機(jī)，經(jīng)濟(jì)效益方面也具較高投資價(jià)值，是值得廣泛發(fā)展的一類產(chǎn)能設(shè)備。

隨著國(guó)家《可再生能源法》及《可再生能源產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄》的制定，市場(chǎng)的培育和生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)，相繼還會(huì)有多種配套措施及稅收優(yōu)惠扶植政策出臺(tái)，這必將提高小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。目前國(guó)際上正在積極發(fā)展小型風(fēng)電作為分布式電源，在今后幾年的可再生能源的發(fā)展應(yīng)用中，小型風(fēng)電市場(chǎng)將更加廣闊，將成長(zhǎng)為一個(gè)非常有前景的分布式發(fā)電領(lǐng)域。

[1]中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì).2010年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[EB/OL].（2011-03-18）[2011-04-01].www.cwea.org.cn.

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